基于 nRF51-DK 的智能心率手環(huán)設(shè)計

0 引 言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，心血管病死亡率居首位，明顯高于腫瘤及其他疾病。心血管疾病并不像普通病癥那樣會表現(xiàn)出癥狀，有很多患者的病癥表現(xiàn)是輕微、斷斷續(xù)續(xù)且難以辨別的，而實時的心率檢測可以有效檢測用戶的健康狀況， 及時發(fā)現(xiàn)異常并提供解決方案。

隨著科技的快速發(fā)展，可以檢測心率的智能手環(huán)逐漸進入人們的視野，但市場上的一些主流智能手環(huán) / 手表如小米手環(huán)、華為手環(huán)、Apple Watch 等，存在心率檢測實時性差， 心率異常時無提醒等缺陷。

本文針對上述問題，提出了一種智能心率手環(huán)的設(shè)計方案。該智能心率手環(huán)具有運動模式和正常模式的切換功能，秒級心率檢測頻率、異常心率提醒功能，藍牙數(shù)據(jù)傳輸功能，心率數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能等，彌補了市面上主流手環(huán)的缺陷，為人們檢測自身健康并及早發(fā)現(xiàn)心血管病提供了解決方案。

1 智能心率手環(huán)原理

本文手環(huán)采用 nRF51-DK ARM 處理器作為智能手環(huán)的中央處理模塊，采用 MAX30102 心率 PPG 傳感器作為心率檢測模塊，采用 LCD1602 屏幕作為顯示模塊，采用藍牙與智能 Android 手機通信。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。

                                                                                                                                                                                  圖 1 智能手環(huán)系統(tǒng)框圖

2 智能心率手環(huán)的方案設(shè)計

2.1 智能心率手環(huán)的硬件設(shè)計

硬件設(shè)計分為處理器選擇、心率傳感器選擇、其余元器件三個部分。

2.1.1 處理器的選擇

可選用 nRF51 系列 SoC 架構(gòu)最大限度減少平均電流消耗，并支持各種無線應(yīng)用的單芯片實現(xiàn)。nRF51-DK 功能強大，采用低功耗 32 位 ARM®CortexTMM0 處理器，啟動時間為 2 μs，與 8/16 位處理器相比，可最大限度縮短活動時間并提高代碼密度 ；它擁有先進、精細的電源管理方案，獨立的系統(tǒng)模塊可以獨立開機或關(guān)機，并根據(jù)活動水平自主控制時鐘 ；具有可編程外設(shè)互連（PPI）系統(tǒng)，使外設(shè)（如無線電，定時器和 I/O）能夠彼此獨立交互，不涉及處理器，可通過最小化處理器活動時間來節(jié)省電力，同時放寬處理器的實時要求 ；靈活的 GPIO 映射簡化了 PCB 設(shè)計，有助于減少布線層的數(shù)量 ；定制 2 區(qū)存儲器保護單元（MPU）支持預(yù)編譯的協(xié)議棧（如 ANT 和藍牙低功耗）的程序存儲器和運行保護。

2.1.2 心率傳感器的選擇

MAX30102 是一個集成了脈搏血氧和心率檢測功能的生物傳感器模塊，其本身集成了一個紅光 LED 和一個紅外光發(fā)射管、光電檢測器、光器件，以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。MAX30102 采用一個 1.8 V 邏輯電源和一個獨立的 5.0 V 內(nèi)部 LED 電源，可應(yīng)用在可穿戴設(shè)備上實現(xiàn)心率和血氧采集檢測。通過標(biāo)準(zhǔn)的 I2C 兼容通信接口可以將采集到的數(shù)值傳輸給STM32，Arduino 等單片機進行心率計算。此外，該芯片還可通過軟件關(guān)斷模塊，使待機電流接近零。因為其優(yōu)異的性能，本文選用此傳感器作為心率傳感器。

2.1.3 其余元器件

其余元器件包括顯示模塊LCD1602、提醒模塊小型震動馬達等。手環(huán)部分的硬件電路連接如圖 2 所示。

2.2 智能心率手環(huán)的軟件設(shè)計

手環(huán)的軟件設(shè)計分為手環(huán)處理器的軟件設(shè)計和 Android 手機 APP 設(shè)計兩部分。手環(huán)處理器的軟件部分采用 mbed 編寫，Android 手機 APP 由 Android Studio 編寫，手環(huán)處理器的軟件流程如圖 3 所示，手機 APP 截圖如圖 4 所示。

4 結(jié)語

經(jīng)過對該智能手環(huán)原型機的驗證實驗可知，本文提出的基于 nRF51-DK 的智能心率手環(huán)具有快速、方便及可靠等特點。本文手環(huán)實時的心率檢測并統(tǒng)計功能可有效檢測用戶的健康狀況，發(fā)現(xiàn)異常并提供解決方案，為保障人們的心血管健康提供有力保障。但該手環(huán)仍然存在提升空間，如增加血氧含量的檢測、通過手機 APP 對手環(huán)模式進行切換等，這些功能有待于進一步研究。